首页 理论教育 塑料结晶度的影响和成型工艺

塑料结晶度的影响和成型工艺

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:另外,有些结晶型塑料,如PA、PET等在适当的工艺条件下,如熔体成型后骤冷使其来不及结晶就冷却定型,则也可制成透明的无定形制品。例如,等规PP的结晶度从55%增至95%时,脆化温度从0℃上升到22℃,脆性骤增。一般情况下,结晶塑料结晶度为10%~60%,不同结晶度的料应采用相应的成型工艺条件。

塑料结晶度的影响和成型工艺

结晶性是大多数热塑性塑料的一种成型特征。如前所述,它是以分子链的内部结构特征为基础,在适当的工艺条件下产生的结晶体结构,即聚合物中的线型和支链型的大分子,如果其结构简单、对称性好、排列较规整,则在适当的成型条件下就能形成晶核,且发展形成三维方向上规则整齐排列的某种几何形状的晶体(通常倾向于生成球状晶体,即称球晶)。这种晶体生成过程称为结晶,这种塑料即称为结晶型塑料。反之,在一个大范围内或局部区域内分子链排列呈无序状态,则称为无定形体,这种塑料称为无定形塑料。

但结晶型聚合物中并非全部都是结晶体,也存在部分无定形区,多数结晶型塑料结晶区占聚合物的比例(称为结晶度)大于50%,最高的可达90%。结晶度高者说明该材料结晶能力强。另外,有些结晶型塑料,如PA、PET等在适当的工艺条件下,如熔体成型后骤冷使其来不及结晶就冷却定型,则也可制成透明的无定形制品。

同理,无定形塑料也并非完全不结晶,有些塑料,如PVC、PC等品种在适当的成型条件下也可生成小部分比例较少的结晶区,成为低结晶度塑料。

由于塑料中结晶度和球晶尺寸大小、晶体形状对制品性能有较大的影响,因此在成型过程中必须控制结晶工艺条件,以达到要求的结晶效果。

1.结晶性对聚合物性能的影响

(1)力学性能方面 一般而言,聚合物的密度、硬度、刚度拉伸强度等随结晶度的增加而提高,但冲击强度、弹性、断裂伸长率随之下降,脆性随之增大,脆化温度随之递增。例如,等规PP的结晶度从55%增至95%时,脆化温度从0℃上升到22℃,脆性骤增。另外,即使结晶度相同,但球晶尺寸大、数量多时也会降低强度使制品发脆。

(2)光学性能方面 结晶物密度大,对入射光的反射及折射率大、透光率下降,结晶度越高透光率越低,故结晶型塑料常为不透明料,常呈乳白色。

(3)热性能方面 对于不结晶或低结晶度塑料,最高使用温度是玻璃化温度,但随着结晶度的提高,结晶区扩大,热传导性增大,故耐热性增高,有些品种加热到Tg时也不软化,最高使用温度可增至Tm附近。另外,结晶料中结晶区和无定形区并存,所以从开始熔融到完全熔融是在较宽的温度范围内进行的(常称为熔程或熔限),其范围大小决定于分子结构、结晶过程、结晶度大小和球晶尺寸。

(4)成型性方面 结晶型塑料的成型特性可归结如下几点:

1)无高弹态。结晶型塑料无高弹态(无Tf),聚合物的温度>Tg时开始具有可塑性(变形性),加热到适当温度时也可进行热成型。当加热到一定温度时结晶开始熔化,该温度称为结晶熔化点(由柔性分子和低极性分子组成的聚合物结晶熔化点低),如果继续加热到聚合物完全熔化,则熔体粘度快速下降,该温度称为熔点Tm,它具有相对稳定的数值,一般比非结晶料的Tf高,且结晶料从Tg开始到Tm有相当长的熔化温度范围。

2)热导率比热容、焓高。结晶型料的热导率比非结晶料高一倍,但熔化时要克服分子间和晶体间的双重阻力,因此需输入的热能高于熔化无定形聚合物,且焓量也高于无定形料,而冷却时会释放出较高的热量,因此冷却固化时也需输出较高的热量。

3)需控制模具温度。结晶过程是:形成晶坯→晶核→晶片→初级球晶→直线状边界多面体状球晶(是由晶体长大过程球晶之间连接成的)。成型后要求制品内具有适当尺寸的球晶体和结晶度。这些指标主要决定于从TmTg过程中熔体的冷却速度和聚合物的结晶能力(结晶速度)。冷却速度又决定于选择适当的模具温度,实践证明,低温有利于快速成核,但急冷时大分子链来不及结晶,故不利于结晶成长,结晶度低,且内应力增大;高温时有利于晶粒成长,结晶度高,但晶粒尺寸大,制品性能下降,成型周期长。由此可见,高温和低温结晶时对结晶速率起两种相反的作用,但两者之间必能找到一个最佳温度值,即在TgTm之间或0.9Tm处,可找到最佳的中间温度值,此时在成型过程中模具温度应保证结晶速度和冷却速度都适中(称为中速冷却)使熔体接触型腔时先形成冷却薄壳,由此开始结晶向内壁伸展可形成结晶完整、结构稳定、尺寸形状适中、结晶度达标、尺寸及性能稳定性较好、生产周期也较短的制品。

4)有再结晶现象。由于结晶过程较慢,制品脱模后内部初结晶结构不完善部位或残余的非结晶区在外界环境因素(如温度)作用下还会继续发生结晶,该过程称为二次结晶。另外,残初晶结构界面上也可能发生结晶,称为再结晶。二次结晶及再结晶的结果会引起制品收缩导致性能、内应力、尺寸形状等发生再变化,尤其对为了缩短成型周期,脱模较早的制品反应更大,制品常需退火处理。

5)有结晶不均匀现象。结晶后可提高制品的力学性能、热性能、电性能及耐蚀性,但收缩率增大,透明度下降,取向性增大,尤其对形状复杂或壁厚不匀制品的各部位结晶度不等且沿料流方向结晶平行排列,导致取向性明显,且制品表层及远离浇口处,因冷却快,所以其结晶度比壁厚及内层和近浇口处低,易产生收缩不匀、内应力增大、结晶度不匀和制品性能不匀现象。(www.xing528.com)

6)熔体粘度与材料结构有关。结晶料熔体粘度决定于相对分子质量和材料结构的柔刚性,相对分子质量低、高柔顺结构的料,在稍高于Tm时即可成型,但高相对分子质量的料(如UHMWPE)或低柔性结构料(如PTFE),则在高温下也不呈现粘性流动,所以低相对分子质量、高柔性结构的结晶料Tm低,粘度低,加工性好。

7)结晶度与材料结构有关。对形成结晶体的条件而言,分子结构对称好、结构稳定排列规整、分子间内聚力大的结构料,如HDPE、F4、PVDC、PVDF等塑料的结晶度可高达90%;大分子链内聚力大的料,如PA、POM、PET等也可获得较高的结晶度,但不大规则结构的料,如LDPE、PVC等只能得到轻微的结晶,有大侧基、刚性分子结构的料,如PS、PMMA、PSF、PC、PPO等则不能得的结晶结构。一般情况下,结晶塑料结晶度为10%~60%,不同结晶度的料应采用相应的成型工艺条件。

8)剪切速率高有利于提高结晶速度和结晶度,有利于异相成核发展,但取向性增大。提高切应力可提高结晶温度、结晶度和密度,有利于控制晶体尺寸形状。

9)提高结晶速度的方法。结晶过程初期必须先形成晶核。在自然条件下形成晶核有两条途径,其一是当聚合物熔化时借助原材料中存留的结晶组织作为晶坯(称为异相成核)来发展结晶;另一种是当熔体冷却时或过饱和状态产生的晶核(称为均相成核),然后再发展结晶,此过程较慢,晶体尺寸大,为此目前常采用人工成核的方法,即在原料中加入成核剂(如无机粉末、炭黑、高熔点聚合物粉末等)作为晶核可有效加快结晶速度。

(5)其他方面 结晶型聚合物的耐溶剂性、阻隔性、化学反应活性等性能也都有所提高,且随结晶度的增高而提高。

上面简单地归纳了结晶型塑料几个成型特性,从中可以看出,加工结晶型塑料制品时,在选料及选择设备、模具、制品设计和成型工艺条件等方面都应按其成型特性采用相应的措施。

2.控制结晶效果

大多数结晶聚合物的结晶发生在高温熔体向低温固态转变过程中,即熔体温度为TmTg之间。当熔体温度低于Tm时开始结晶,低于Tg则终止结晶,这决定了制品最后的结晶度、晶体尺寸、各部位结晶情况及制品最终的性能。由此可见,最终的结晶结果是由聚合物的结构特性及熔体温度和冷却速度决定的,只有当分子链对称性高、柔顺性适中、分子链节小、分子间相互作用小的聚合物在有利的冷却条件下才能形成结晶,否则也可以形成非晶形。因此,需从熔体温度、冷却温度、冷却速度等方面来控制结晶效果。

(1)控制晶核成长 当熔体温度高、熔融时间长时,熔体冷却中主要为均相成核,如果结晶速度慢,则会生成大尺寸晶粒。而熔融温度低、时间短、热振动小则会形成核多有序微小晶粒,且尺寸均匀,有利于提高制品的力学性能及热变形温度,因此低温熔体有利于形成晶核。

(2)控制结晶速率 如果熔体温度高,模具温度高、冷却速度慢,则结晶从均相成核开始结晶度较大,晶粒尺寸也大,球晶组织发脆,强度下降,制品易扭曲变形,生产周期长。但如果模具温度低、冷却速度过快,大分子来不及规整排列,只能形成体积松散的非晶结构或形成一些微晶结构,则组织不均匀会产生内应力。所以,只有选择某一中间温度使其既能有利于成核,又可保证结晶度及适当尺寸的晶粒。通常可通过试验方法来确定最佳冷却温度(又称结晶温度)。此时,熔体接触模腔时表面先冷却成硬壳,结晶从表层开始向内部发展,从而获得理想的结晶效果。

(3)采用成核剂 为了解决低温有利于快速成核,高温不利成核,但有利于晶粒成长和提高结晶度之间的矛盾,常采用加入成核剂的方法来调节结晶效果,如PP、PA类聚合物应用成核剂可允许在高模温下结晶,为晶粒快速成长提供了分子活动性。

(4)控制切应力和压力 成型时采取较高的切应力和剪切速率会增加取向性,增大结晶速度和结晶度。成型压力也会影响晶粒尺寸,低压下易生成大而完整的球晶,高压时则易生成小而不规则的球晶。

(5)进行退火处理 退火处理也是常用来提高结晶效果和生产率的一种方法,通常在制品冷却到具有足够刚性时即脱模,然后放在设定的温度内进行热处理,使制品内不稳定的结晶体或非晶相转为结构稳定的结晶体,使微小晶粒转为较大的晶粒,从而可缩短成型周期,提高结晶效果及制品性能,且可减少变形,降低内应力。但要注意的是必须控制热处理温度和时间,温度高、时间长会导致晶粒尺寸粗大,降低取向和结晶效果。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈